用多进程同步方法演示“生产者-消费者”问题

**理工大学

操作系统课程设计报告

院（系）：计算机工程学院

专业：计算机科学与技术班级：计算111

学生姓名： ** 学号： 201107015 题目：用多进程同步方法演示“生产者-消费者”问题

起迄日期: 2014.07.07-2014.07.18

设计地点:现代教育中心101-103、主教学楼B505

指导教师:王**

2013—2014年度第 2 学期

完成日期: 2014 年 7 月 18 日

一、课程设计目的

本次操作系统课程设计的主要任务是通过研究Linux的进程机制和信号量，实现生产者消费者问题的并发控制。实验中需要设置多个生产者和多个消费者，生产者和消费者对同一个缓冲区进行操作，互斥的访问缓冲区。本次课程设计的目的就是加深对多进程如何正确访问临界资源的理解，同时掌握条件变量在互斥访问时应该如何正确有效地使用。掌握生产者消费者问题的解决流程和方法，能够在此基础上解决现实中的具体问题。

二、课程设计内容

课程设计内容：

1)生产者和消费者进程的数目不固定，可在程序界面上设置

2)生产者和消费者进程的数目在程序界面上可调，在运行时可随时单个增加与减少生

产者与消费者

3)生产者的生产速度与消费者的消费速度均可在程序界面调节，在运行中，该值调整

后立即生效

4)生产者生产的产品由随机函数决定

5)多个生产者或多个消费者之间必须有共享对缓冲区进行操作的函数代码

6)每个生产者和消费者对有界缓冲区进行操作后，即时显示有界缓冲区的全部内容、

当前生产者与消费者的指针位置，以及生产者和消费者线程标识符

7)采用可视化界面，可在运行过程中随时暂停，查看当前生产者、消费者以及有界缓

冲区的状态

三、系统分析与设计

1、系统分析

1.1功能需求：生产者与消费者需要对缓冲池互斥操作，其中生产者和消费者的数目可以任意改变。生产者和消费者的速度也要随机的进行修改。可以查看当前生产者和消费者以及有界缓冲区的状态。

1.2数据需求：本次试验生产者和消费者的数量要动态的增加、减少，还有缓冲区的产品数，以及生产、消费产品的指针。

rear：生产者指针；

front：消费者指针；

size：产品数；

CONSUME_TIME：消费者速度;

PRODUCE_TIME ：生产者速度;

mutex：对缓冲区互斥操作的锁；

empty_cond：缓冲区空的条件变量；

full_cond：缓冲区满的条件变量。

2、系统设计：

3、模块设计：

函数调用关系：

设置生产速度

删除消费者

删除生产者

缓冲池信息

添加消费者

主程序 添加生产者

设置消费速度

生产者流程图：

四、系统测试与调试分析

1、系统测试

（1）因为当生产者在缓冲区满了以后自动阻塞，所以生产者阻塞是否正常。

（2）因为当生产者在缓冲区满了以后自动阻塞，需要消费者唤醒，所以需要测试

唤醒的实现是否正常。

2、调试分析：

2.1调试过程中遇到的问题及解决方案：

(1)删除一个正在执行的生产者或者消费者之后，其他的生产者和消费者都处于等待状态，导致整个程序处于忙等状态。

解决方案：正在执行的线程为了访问临界资源而为其加上锁，但在访问过程中被外界取消，由于线程处于响应取消状态，且采用异步方式响应，并且在打开独占锁以前的运行路径上存在取消点，则该临界资源将永远处于锁定状态得不到释放，从而使得其他的线程也无法执行。外界取消操作是不可预见的，因此需要POSIX线程API中提供的一个pthread_clea nup_push()/pthread_cleanup_pop()函数对自动释放资源。

（2）不能取消子线程。

解决方案：由于子线程中存在一个while(1)死循环，线程处于无限循环中，且循环体内没有执行至取消点的必然路径，导致线程无法由外部其他线程的取消请求而终止。此时可以在循环体的必经路径上应该加入pthread_testcancel()调用。

（3）被删除的生产者线程和消费者线程仍然后在执行一次。

解决方案：这是因为取消点被放在了缓冲池操作函数先调用之后，所以线程被取消后仍会对缓冲池进行一次操作。此时，只需要在缓冲池操作函数调用之前添加一个 pthread_te stcancel()调用即可。

五、用户手册

1、使用平台是linux下gcc

安装gcc、Gtk命令：

apt-get install build-essential #安装gcc/g++/gdb/make 等基本编程工具

apt-get install gnome-core-devel #安装libgtk2.0-dev libglib2.0-dev 等开发相关库文件apt-get install pkg-config #用于在编译GTK程序时自动找出头文件及库文件位置

apt-get install devhelp #安装devhelp GTK文档查看程序

apt-get install libglib2.0-doc libgtk2.0-doc #安装gtk/glib 的API参考手册及其它帮助文档

apt-get install glade libglade2-dev #安装基于GTK的界面GTK是开发Gnome窗口的c/ c++语言图形库

apt-get install libgtk2.0*,#gtk+2.0所需的所有文件统通下载安装完毕。

2、操作步骤：

第一步：添加生产者

第二步：添加消费者

第三步：显示缓冲池信息

第四步：删除生产者

第五步：删除消费者

第六步：设置生产者和消费者的速度

六、程序清单

创建生产者线程：

int create_pthread_producer()

{

char pthread_id[20]="";

pthread_t producer_id;

pthread_create(&producer_id,NULL,producer,NULL); //创建线程函数调用

sprintf(pthread_id,"%lu",producer_id);

add_to_list(list_producers, pthread_id); //将线程添加到线程列表return 0;

}

创建消费者线程：

int create_pthread_consumer()

{

char pthread_id[20]="";

pthread_t consumer_id;

pthread_create(&consumer_id,NULL,consumer,NULL); //创建线程函数调用

sprintf(pthread_id,"%lu",consumer_id);

add_to_list(list_consumers, pthread_id); //将线程添加到线程列表return 0;

}

生产者函数：

void *producer(void *arg)

{

pthread_detach(pthread_self()); //线程分离

char info[50]="Pool is full, producer ";

char *value=(char *)malloc(30);

sprintf(value,"%lu",pthread_self());

strcat(info,value);

strcat(info,"is waiting!");

while(1)

{

pthread_testcancel(); //设置取消点

pthread_cleanup_push(pthread_mutex_unlock, (void *) &mutex);

//线程清理处理函数pthread_mutex_lock(&mutex); //对临界资源加锁

while(size >= BUFFER_LENGTH)

{

add_to_list(list_pool, info);

producer_wait = 1;

pthread_cond_wait(&full_cond, &mutex); //线程阻塞，并解锁

producer_wait = 0;

}

pthread_testcancel(); //设置取消点

operate_pool(1); //对缓冲池操作

pthread_mutex_unlock(&mutex); //解锁

pthread_cond_signal(&empty_cond); //唤醒消费者

pthread_cleanup_pop(0); //线程清理处理函数

pthread_testcancel(); //设置取消点

usleep(10);

}

}

消费者函数：

void *consumer(void *arg)

{

pthread_detach(pthread_self()); //线程分离

char info[50]="Pool is empty, consumer ";

char *value=(char *)malloc(30);

sprintf(value,"%lu",pthread_self());

strcat(info,value);

strcat(info,"is waiting!");

while(1)

{

pthread_testcancel(); //设置取消点

pthread_cleanup_push(pthread_mutex_unlock, (void *) &mutex);

//线程清理处理函数pthread_mutex_lock(&mutex); //对临界资源加锁

while(size <= 0)

{

add_to_list(list_pool, info);

consumer_wait = 1;

pthread_cond_wait(&empty_cond,&mutex); //线程阻塞，并加锁

consumer_wait = 0;

}

pthread_testcancel(); //设置取消点

operate_pool(0); //对缓冲池操作

pthread_mutex_unlock(&mutex); //解锁

pthread_cond_signal(&full_cond); //唤醒生产者

pthread_cleanup_pop(0); //线程清理处理函数

pthread_testcancel(); //设置取消点

usleep(10);

}

}

操作缓冲池函数：

void *operate_pool(const int type)

{

char produce[20]="";

char *value=(char *)malloc(30);

sprintf(value,"%lu",pthread_self());

gtk_label_set_text(GTK_LABEL(label_tid), value);

if(type == 1)

{

char pro[20]="生产产品：";

buffer[rear] = rand()%BUFFER_LENGTH; //产品由随机函数决定

sprintf(produce,"%d",buffer[rear]);

strcat(pro,produce);

strcat(value,pro);

add_to_list(list_pool, value);

rear = (rear+1)%BUFFER_LENGTH; //生产者指针向后移一位

++size; //缓冲池内产品数加一

sprintf(value,"%d",rear);

gtk_label_set_text(GTK_LABEL(label_pos_pro), value);

sleep(PRODUCE_TIME);

}

else if(type == 0)

{

char con[20]="消费产品：";

sprintf(produce,"%d",buffer[front]);

strcat(con,produce);

strcat(value,con);

add_to_list(list_pool, value);

front = (front + 1)%BUFFER_LENGTH; //消费者指针加一

--size;

sprintf(value,"%d",front);

gtk_label_set_text(GTK_LABEL(label_pos_con), value);

sleep(CONSUME_TIME);

}

}

七、参考文献

[1] 汤子瀛编著，《计算机操作系统（第三版）》，西安电子科技大学出版社，2007年

[2] 操作系统：精髓与设计原理（原书第6版）（美）斯托林斯著，陈向群等译机械工业出版社 2010-9-1

[3] 深入理解计算机系统（原书第2版）（美）布莱恩特，奥哈拉伦著，龚奕利，雷迎春译机械工业出版社 2011-1-1

[4] Gtk+2.0编程范例宋国伟著清华大学出版社2002

[5] Gtk+程序设计教程下载地址:https://www.360docs.net/doc/7a13330365.html,/download/yichaozhang/1252508

八、课程设计评价